纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤及其试验研究

目的 探究纵扭超声辅助磨削工艺参数对氮化硅陶瓷亚表面损伤的影响规律。方法 首先,建立纵扭超声振动下单颗磨粒的切削轨迹及其切削弧长模型,分析纵扭超声辅助磨削独特的加工机理。其次,考虑砂轮表面磨粒的随机分布特性,并基于硬脆材料脆塑转变特性及其临界转角界定,给出纵扭超声辅助磨削单颗磨粒未变形切屑厚度的概率学模型,进而建立纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的平均法向磨削力模型。最后,建立纵扭超声辅助磨削氮化硅亚表面损伤深度模型,并进行试验验证。结果 纵扭超声振动的引入增大了纵扭超声辅助磨削过程中单颗磨粒的切削弧长,减小了单颗磨粒平均未变形切屑厚度,降低了单颗磨粒的法向磨削力,最终降低了氮化硅陶瓷亚表面损伤的深度,获得了较好的氮化硅陶瓷表面加工质量。氮化硅亚表面损伤深度随着超声振幅的增大而降低,当超声振幅为6μm时,亚表面损伤深度为5.65μm,相较于普通磨削亚表面损伤深度降低了33.6%。理论模型预测结果与试验结果趋势一致,预测结果与试验结果的最大误差为13.38%,平均误差为8.34%,因此该模型能够为氮化硅实际加工中亚表面损伤深度的预测提供一定参考。结论 纵扭超声辅助磨削能够有效降低氮化硅陶瓷...     

磨削加工硬脆材料的延性域研究进展

为实现硬脆材料在磨削过程中处于延性域加工,以提高材料的表面质量、增加材料的使用寿命,使材料具有优良的抗疲劳、耐磨损性能,从试验研究、理论建模、仿真分析3个方面介绍了国内外学者对硬脆材料磨削加工过程中的脆塑转变现象的研究。分析了超声辅助振动磨削加工中脆塑转变的国内外研究现状,提出将高速、超高速与超声辅助振动磨削相结合的加工方式。研究结果表明:磨削速度对硬脆材料的最大未变形切屑厚度影响较大;引入超声辅助振动容易实现硬脆材料延性域磨削;施加不同方向的超声辅助振动对材料脆塑转变的临界切削深度影响不同。提出未来应从磨削热、预热处理、仿真分析模型、磨削加工模型4个方面对硬脆材料延性域磨削进行更深层次的研究。研究成果为实现硬脆材料延性域磨削和实际生产提供了参考。     

纳米复相陶瓷超声振动磨削脆-塑性转变影响因素分析

本文从磨削条件、材料本身的力学性能、微观结构特征，断裂特征等方面，分析了纳米复相陶瓷材料超声振动磨削脆一塑转变的主要影响因素。对纳米复相陶瓷材料进行了对比试验研究，通过对普通磨削和超声振动磨削力的测量，磨屑的SEM观察，表面质量分析，确定了该材料超声复合加工的脆一塑转变的临界切深大小，实验表明：超声切削临界数值远大于普通磨削临界切深。     

新型超声振动结构的研究进展

对近几年超声加工技术在硬脆材料加工方面的研究进展进行综述,阐述不同超声振动形式的加工特点和国内外的研究现状,如超声纵向振动、扭转振动、纵扭复合、椭圆振动等,最后对我国超声加工技术今后的发展提出一些建议.     

超声振动磨削工程陶瓷的磨削力试验研究

为了研究纵扭复合振动超声加工过程中重要加工参数对磨削力动态变化的影响规律,以超声振动磨削过程中产生的磨削力大小为研究对象,采用纵扭复合振动超声磨削加工工艺方法,搭建测力系统试验平台,研究不同加工参数下磨削工程氧化锆陶瓷材料产生的磨削力变化规律,试验结果发现:外加超声振动在一定程度上能强化磨削能力,减小磨削力,取较大进给速度和磨削深度会增大磨削力,使得磨削力波动明显,而主轴转速增大则会显著减小磨削力的产生。     

单晶锗微纳米尺度脆塑转变机理研究

为了考察单晶锗微纳米尺度脆塑转变机理,利用纳米压痕仪分别对单晶锗(100)、(110)和(111)晶面进行纳米划痕实验,并利用原子力显微镜和扫描电子显微镜对划痕形貌进行观察。通过对划痕深度-距离曲线及划痕形貌进行分析,获取各晶面脆塑转变临界载荷和临界深度。实验结果表明：单晶锗具有强烈的各向异性,(100)、(110)和(111)晶面脆塑转变临界载荷分别为37.6 mN、30.5 mN和32.4 mN,临界深度分别为594.7 nm、512.5 nm和536.6 nm。(100)晶面因其具有最小硬度、最深脆塑转变深度,在划痕过程中塑性去除最多,脆塑转变最晚,而且随着划痕速度的增加,脆塑转变临界深度和临界载荷也相应增加。最后定载荷划痕实验验证了脆塑转变临界载荷和临界深度的正确性。     

工程陶瓷预压应力下超声振动辅助划痕实验研究

目的结合超声振动加工方法,探究工程陶瓷预压应力加工过程的工件表面损伤特性。方法建立预压应力下工程陶瓷超声振动辅助加工过程的工程学模型,结合Al_2O_3陶瓷划痕过程的离散元仿真结果和实验结果进行分析,采用扫描电镜对加工表面进行观察,使用三向动态压电测力仪测量划痕力。结果预压应力下超声振动辅助划痕过程能够去除沟槽边缘处的材料堆积,并且划痕沟槽边缘破碎呈现周期性。当预压应力为200 MPa、理论划痕深度为10μm时,普通划痕深度为7.58μm,宽度107.5μm,超声振动辅助划痕深度为8.55μm,宽度为143.5μm。结合仿真结果,超声振动辅助划痕过程可减小划痕沟槽的径向裂纹数量,增大径向裂纹深度。同时,两种划痕过程动态切向力出现明显差异,超声振动辅助划痕过程动态切向力较小,变化相对平稳。结论超声振动辅助加工过程可以减小工程陶瓷预压应力加工过程的切削力,提高材料加工效率。     

单晶锗微纳米尺度切削特性实验研究

采用纳米压痕仪对单晶锗进行变载荷纳米划痕实验和恒定载荷纳米划痕实验,分析不同划痕速度和不同载荷对单晶锗切削特性的影响规律;采用原子力显微镜对样品表面进行扫描观测,分析单晶锗微纳米尺度切削加工的材料去除机理。研究结果表明:划痕速度分别为10、20和50μm/s时,单晶锗(100)晶面脆塑转变临界切削力分别为10.2、12.1和9.8 mN,呈现先增大后减少的规律;单晶锗(110)晶面脆塑转变临界切削力分别为9.5、7.7和6.9 mN,呈现随着划痕速度的增大而减少的规律;单晶锗(111)晶面脆塑转变临界切削力分别为8.3、8.5和8.9m N,划痕速度的改变对于切削力的变化基本没有影响;当载荷分别为10、30和50m N时,单晶锗(110)晶面切削力分别为0.3、4.5和12.5 m N。随着划痕速度的增大,单晶锗不同晶面切削特性表现出明显的各向异性;随着载荷的增大,单晶锗切削力也相应增大,切削力的波动范围也越来越大。本研究为分析单晶锗微纳米尺度塑性域切削提供理论基础和数据支持。     

超声纵振珩磨表面微观特性的试验研究

在文献[1]中，作者对径向超声振动磨削和纵向（轴向）超声振动珩磨的磨削特点进行了对比研究，建立了磨粒径向超声振动珩磨的切削模型，推导了纵向超声振动珩磨临界速度的计算公式，为了验证所建模型的正确性及进一步研究超声纵振珩磨的磨削表面特征，本文对工程陶瓷ZrO2和高强度P钢进行了纵向超声振动珩磨试验，通过电镜SEM观察分析了表面磨削特征，研究表明：纵向超声振动珩磨具有比普通珩磨较大的材料去除率，并且磨削表面光滑，粗糙度低。     

旋转超声锯切光学玻璃的表面形成机理研究

目的 探究不同物理性能光学玻璃锯切加工的表面形成机理,以及旋转超声锯切过程中径向振动冲击对其表面特性的影响。方法 首先通过显微压痕实验,对比K9与石英两种光学玻璃的硬度与断裂韧性,计算其各自的临界切削深度,并用LS-DYNA进行单颗磨粒切削的有限元仿真,分析不同物理性能光学玻璃的表面形成机理。然后对其进行旋转超声锯切（Rotary ultrasonic sawing RUS）和普通锯切（Conventional sawing CS）实验,分析径向超声振动对不同物理性能的光学玻璃表面特性的影响。结果 K9、石英玻璃的断裂韧性分别为5.232 MPa?m0.5和1.644 MPa?m0.5,临界切削深度为4.288 μm和0.012 μm。仿真结果表明,加工过程中,超声振动将单颗磨粒的最大切削厚度由1.1767 μm提高为8.001 μm。对石英与K9玻璃进行锯切试验的结果显示,对于K9玻璃,旋转超声锯切后,沟槽底部粗糙度Pa与峰谷值Pv相对普通锯切大幅降低,但石英玻璃下降幅度不大。结论 超声振动增大了单颗磨粒切削厚度,使得K9玻璃的材料去除方式由部分塑性去除转变为完全脆性断裂去除,致使表面层产生微破碎,避免了传统加工过程中产生的大面积破碎和裂纹,进而提高表面粗糙度。石英玻璃因为临界切深小,在普通锯切中即为脆性去除,超声振动的影响效果稍小,对加工后表面粗糙度的影响不大。     

旋转超声辅助加工装置及其工艺研究

基于传统超声振动理论,提出了一种新型旋转超声辅助加工装置。该装置将超声振动与负载匹配二者相结合,具备旋转超声辅助加工硬脆材料的能力。利用该装置对微波铁氧体材料进行旋转超声辅助钻削加工试验研究,验证了旋转超声辅助磨削可有效降低加工过程中的切削力。同时,在保证刀具和材料安全的前提下,探索了旋转超声辅助加工装置对加工效率的影响。     

基于纳米划刻实验的单晶锗切削机理的研究

本文选用 Berkovich 压头,使用纳米压痕仪对单晶锗进行了变载荷纳米刻划试验,利用SEM观测了刻划过程中沟槽表面形貌特征,将划刻过程中材料的去除机制分为延性域、脆塑转变域和脆性域三个阶段,并分析了在各个阶段的力学特征。根据断裂力学理论,以切向力的首次下降作为脆塑转变发生点,由此获得单晶锗脆塑转变的临界载荷及临界深度,并分析了裂纹的产生与扩展过程。对于纳米划刻过程中法向力、切向力、摩擦因数与划刻深度的函数关系进行非线性拟合,由相关系数的计算结果表明,划刻力与划刻深度之间存在强相关性。基于赫兹接触理论计算单晶锗划刻过程中临界弹塑转变深度,其大小为1.33 nm。基于脆朔转变临界载荷,建立了表征单晶锗材料脆塑转变临界深度的表达式,结果表明其脆塑转变临界深度为561 nm。由此对于单晶锗划刻过程中不同阶段确立了量化区分方法。     

超声加工技术研究进展

超声加工技术依靠瞬时高频振动撞击对工件断续加工,具有极强切削能力的同时,具有较小的宏观切削力,主要用于硬脆材料的精密加工,能提高加工精度和表面质量。首先,阐明了超声加工技术的基本原理及其基本应用范围。其次,综述了超声辅助切削加工技术的研究进展,着重论述了超声辅助铣削净切削时间模型的建立以及模型正确性验证,总结了加工参数对刀具运动轨迹、工件表面质量的影响,阐明了椭圆振动切削能有效抑制切削颤振带来不利影响的原因;探讨了超声辅助磨削技术在加工非金属和金属材料时,对表面质量以及工件表面温度分布的影响;综述了超声辅助钻削技术的切削力和进给速度与普通钻削参数的比较。再者,介绍了超声波加工技术的新发展方向,包括三维椭圆超声振动切削技术、超声ELID复合磨削技术、超声EDM复合加工技术、超声辅助抛光的工作原理及最新研究趋势和能实现的试验效果。最后,总结了目前对超声加工技术及超声辅助或复合技术的研究。     

Ultrasonic vibration-assisted scratch-induced characteristics of C-plane sapphire with a spherical indenter

Sapphire, widely used in high-speed integrated-circuit chips, thin-film substrates, and various electronic components, is regarded as one of the most difficult to cut materials owing to its great hardness and low fracture toughness. Ultrasonic vibration-assisted machining (UVAM) is an effective processing method for hard and brittle materials that has been explored in many experimental and theoretical investigations. To expose the material removal mechanism in the UVAM of sapphire, the deformation features of (0001) C-plane sapphire in ultrasonic vibration-assisted scratch (UVAS) tests were compared with those in traditional scratch tests. A self-designed and manufactured spherical diamond indenter was employed. The scratch loads (i.e., the normal forces and tangential forces) were measured with a Kistler dynamometer. The plastic and brittle deformation characteristics were observed by scanning electron microscopy. Raman spectroscopy was employed to reveal the residual stress features of deformation zones in the scratch grooves. The experimental results revealed that the UVAS process can reduce scratch loads, effectively inhibit microcrack propagation, and improve the plastic removal proportion, which was rationalized with elastic and residual stress field calculations. With increasing scratch depth, the distribution of residual stress changes from tensile stress to compressive stress as indicated by the Raman-peak shift.     

超声辅助磨料水射流加工机制及去除模型研究

为了增强磨料水射流的加工效果,设计了超声辅助微细磨料水射流加工系统。通过喷嘴内变幅杆的超声振动,将声能与射流压力能叠加,增强磨料水射流的脉动行为,形成脉冲射流。通过数值计算的方法研究了流场轴线上的声压分布及磨粒在流场中的运动特性,探究了脉冲射流的加工机制及硬脆材料去除机制。通过切槽实验分析了系统压力、振幅及靶距对冲蚀深度的影响规律,实验结果证明,施加超声振动可有效降低系统压力,最佳靶距为8～10 mm。基于实验结果,利用MATLAB建立了硬脆材料的去除深度预测模型。     

高体积分数SiCp/Al复合材料超声辅助划切微观去除机理

目的 揭示高体积分数SiC_p/Al复合材料在超声辅助加工条件下的材料去除机理。方法 采用SiC_p/Al复合材料的超声辅助划切试验,探究划切参数变化对超声振幅、划切力及摩擦因数的影响规律,并通过扫描电子显微镜和激光共聚焦显微镜对划痕表面微观形貌进行观察,分析单点金刚石磨粒工具超声辅助划切材料去除的特点。结果 随着划切深度从0.01 mm增加到0.05 mm,电流值逐渐降低,电流值变化量从12 mA增加到25m A,超声振幅逐渐衰减,金刚石压头的轴向冲击作用减弱。划切深度和划切速度的增加使切向挤压切削作用增强,划切力和摩擦因数增大。在材料去除过程中,碳化硅颗粒存在破碎成小颗粒、剪切断裂破碎和拔出等多种去除形式,铝基体出现明显的塑性流动和涂覆现象,并形成切削沟槽外侧堆积。结论 当切削深度和进给速度较小时,材料去除主要是在轴向的高频振动冲击作用下完成,材料表面加工质量较好;当切削深度和进给速度逐渐增大时,材料去除是在轴向冲击破碎和切向挤压切削共同作用下完成,材料表面加工质量逐渐降低。     

基于纤维增强复合材料的超声振动辅助加工技术综述

纤维增强复合材料是一类使用范围不断扩大的具有优良机械性能的工程复合材料,但由于其具有各向异性及增强体纤维稳定的理化性能,使得传统金属加工方法很难对纤维增强复合材料进行高质量的加工,特别是对于以芳纶纤维等断裂伸长率较高的纤维为增强体的复合材料,存在较为严重的撕裂、毛刺和分层等加工缺陷。超声振动辅助加工是一种将超声振动附加在机械加工过程中的加工方式。超声振动的加入可使刀具与工件周期性接触,减小切削阻力,降低切削温度,可在一定程度上提高纤维增强复合材料加工的表面质量,减少加工缺陷。在介绍超声振动辅助技术的分类、系统组成和加工机理,及纤维复合材料表面质量、材料去除、加工机理和加工缺陷的基础上,从套料制孔、螺旋铣孔和轮廓铣削三类常见加工工艺方面,论述了针对纤维复合材料的超声振动辅助切削技术的国内外研究进展。基于纤维复合材料超声振动辅助切削技术的发展状况,从基础理论研究、材料表面改性和新加工工艺探索、超声振动加工系统的开发完善等方面,总结了现有研究和应用中的成果及普遍存在的问题,同时对未来研究的发展趋势做出了展望。     

基于二维超声振动辅助的钛合金切削加工分析与试验研究

针对普通切削时钛合金表面质量较差的问题,将二维超声辅助切削用于钛合金的加工过程。对钛合金的超声振动切削理论进行分析,找出影响刀具运动轨迹及切削力的因素;设计基于二维超声振动的钛合金表面切削试验,研究超声振动对切削力、工件表面形貌以及刀具寿命的影响。结果表明:与普通切削相比,二维超声振动辅助切削可以有效降低加工中的切削力,减轻加工过程对刀具的冲击,提高刀具的耐用度;且在相同加工条件下,二维超声振动加工时的切削力下降了47.7%,工件表面轮廓平均高度减小了40.9%,刀具的使用寿命提高了近1倍。      

纵扭复合超声振动切割铝蜂窝芯表面质量研究

铝蜂窝芯因具有特殊的薄壁网格状结构，传统加工方式往往伴随着变形和毛刺，这是限制铝蜂窝材料应用的关键因素。超声振动加工在减少加工缺陷方面具有很大的潜力。建立有限元模型并进行切削模拟，同时进行铝蜂窝芯切削实验，对铝蜂窝芯在不同振幅和不同主轴转速下切割的表面形貌进行探究，并对不同振幅下圆刀片的磨损程度进行对比。结果表明：与普通切削相比，纵扭复合超声振动切削能够获得更好的表面形貌，更有效地降低切削缺陷数目；随着振幅的增大，切削缺陷数目得到减少，刀具磨损程度得到降低，切削表面的均匀一致性也变得更好，但施加的超声振幅过高也会导致胞壁产生分离；主轴转速增大能够很好地改善胞壁变形和胞壁分离现象。同时，在1 350～2 700 r/min之内存在一个最佳转速，使得切削缺陷数目可以达到最少。